岳城水庫水質(zhì)富營養(yǎng)化評價

姜新佩，張春霞，趙強(qiáng)龍

(1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲056038;2.中國水利水電第十三工程局有限公司，天津300457)

岳城水庫位于河北省邯鄲市磁縣岳城鎮(zhèn)，是海河南系漳河上的大型控制性水利工程，控制流域面積18 100 km2，總庫容13 億m3，作為重要的水源地被海河流域確定為八大飲用水源地之一.2000年，水利部、海河水利委員會將岳城水庫劃分為一級保護(hù)區(qū)，將水庫水質(zhì)目標(biāo)規(guī)劃為Ⅱ類.岳城水庫是邯鄲市、安陽市乃至冀南地區(qū)人民的重要生活飲用水源地.因此其水質(zhì)的好壞，不僅關(guān)系到下游的水環(huán)境，而且直接影響本地居民的飲水安全. 所以水質(zhì)問題成為岳城水庫可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵.

水質(zhì)評價是對水質(zhì)進(jìn)行定性或定量的評價，常用的水質(zhì)評價方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、指數(shù)法、單一參數(shù)法、熱力學(xué)分析法、概率統(tǒng)計法等. 文中采用模糊綜合評價法［1］和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法［2］分析岳城水庫的富營養(yǎng)化狀態(tài).

1 模糊綜合評價法

1.1 權(quán)重的計算

在模糊綜合評價法中，權(quán)重直接影響各因子在總體評價中所占的比例，權(quán)重不同所得結(jié)果不同.文中采用主成分分析法和污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法分別求權(quán)重［4－6］，再取其平均值來提高權(quán)重的精確度.

1.1.1 主成分分析法

假設(shè)由n 個水體樣本構(gòu)成一個系統(tǒng)，每個樣本的評價因子有m 個，則X = (xij)n×m.首先將矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后得到其相關(guān)關(guān)系矩陣R =(rij)m×m，然后計算R 的特征值λi(i = 1，2，3，…，m)和特征向量v = (vij)m×m，再對其進(jìn)行主成分分析，其貢獻(xiàn)率為，一般主成分取其累計貢獻(xiàn)率大于85%，根據(jù)累計貢獻(xiàn)率確定其主成分和因子荷載［5］，根據(jù)lij=求出權(quán)數(shù)后歸一化可得權(quán)重W1.

1.1.2 污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法

當(dāng)采用污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法計算權(quán)重時，采用公式pi= ci/coi(ci為評價因子的實(shí)際測量值;coi為所采用評價等級的標(biāo)準(zhǔn)值的平均值)計算權(quán)重.溶解氧和透明度的權(quán)重為coi/ci. 將求得的權(quán)重pi進(jìn)行歸一化處理得W2. 最后得綜合權(quán)重W =(W1+ W2)/2.

1.2 隸屬函數(shù)的建立

隸屬函數(shù)［5］是對模糊概念的定量描述，其在模糊數(shù)學(xué)中有著重要的作用. 利用水質(zhì)影響因素的實(shí)測值和評價等級的標(biāo)準(zhǔn)值來計算隸屬度，設(shè)x =(x1，x2，…，xn)為某影響因素的指標(biāo)值，U(x)為影響因素對第一級貧營養(yǎng)的隸屬函數(shù)，對于數(shù)據(jù)越大等級越低的影響因素(總氮、總磷、葉綠素等)的隸屬函數(shù)公式為

對于數(shù)據(jù)越大等級越高的影響因素(溶解氧、透明度)的隸屬函數(shù)為

式中:xmin，xmax分別為評價因素的富營養(yǎng)化等級的最低級和最高級的標(biāo)準(zhǔn)值;xi為評價因素的實(shí)測值.

1.3 備擇集的建立

根據(jù)隸屬度函數(shù)公式確定評價等級第k 級水體的第i 個指標(biāo)因子對貧營養(yǎng)的隸屬度，記為Hik(k 為富營養(yǎng)化水體劃分等級數(shù)，k = 1，2，3，4，5，6)，所有Hik構(gòu)成矩陣H，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行運(yùn)算，得到備擇集A = H × K.

1.4 多因子評價矩陣的建立

將水質(zhì)的實(shí)際測量值按照隸屬函數(shù)公式計算第j 個水體樣本的第i 個指標(biāo)因子對貧營養(yǎng)的隸屬度Pij，構(gòu)成多因子評價矩陣P.利用模糊綜合評價法將得出的結(jié)果與備擇集進(jìn)行對比，確定樣本水體相應(yīng)的富營養(yǎng)化等級.

1.5 岳城水庫水質(zhì)模糊綜合評價

表1為岳城水庫2001—2010年的水質(zhì)情況，測量指標(biāo)包括TP，TN，CODMn，DO，SD，Chla，測量頻次為每月1 次.表1為水庫各測量值的平均值.

表1 岳城水庫水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值

1.5.1 計算岳城水庫水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重

由表1列出矩陣X，標(biāo)準(zhǔn)化后得相關(guān)系數(shù)矩陣R，再求R 的特征值、特征向量，經(jīng)過主成分分析后得因子荷載見表2.

表2 因子荷載

最后得權(quán)重為W1= (0.183 3 0.168 0.183 1 0.159 9 0.136 8 0.168 9)，污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法的權(quán)重為W2= (0. 026 0. 487 9 0. 063 3 0. 131 4 0.288 6 0.001 9)，平均權(quán)重W =(0.105 1 0.327 9 0.123 2 0.145 7 0.212 7 0.085 4).

表3 水庫富營養(yǎng)化分級標(biāo)準(zhǔn)

1.5.2 備擇集計算

由表3將水庫富營養(yǎng)化分級標(biāo)準(zhǔn)中的各項指標(biāo)數(shù)值代入式(1)和式(2)得到各級水體對貧營養(yǎng)級的隸屬度矩陣H，即

由A=H×W 得到備擇集

A=(1.000 0.822 0.694 0.639 0.433 0.000).

1.5.3 多因子評價矩陣把表1中各項指標(biāo)數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)得到各樣本水體對貧營養(yǎng)級的隸屬度矩陣

令B=P×W，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)［7］計算得各樣本水體對貧營養(yǎng)的隸屬度:B = (0. 462 0. 496 0. 493 0.397 0.430 0.437 0.466 0.478 0.539 0.502).對照矩陣A 可以看出，水庫水質(zhì)基本在中富營養(yǎng)和富營養(yǎng)之間，正趨向于向富營養(yǎng)化發(fā)展，而且在2004年富營養(yǎng)化程度最嚴(yán)重，2009年富營養(yǎng)化程度最小.

2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法是測定富營養(yǎng)化的常用方法，文中主要用于和模糊綜合評價法結(jié)果的對比，選取TN，TP，CODMn，SD，Chla 為分析指標(biāo).

湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級:采用0—100 的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級:貧營養(yǎng)，TLI(∑)＜30;中營養(yǎng)，30 ≤TLI(∑)＜50;輕度富營養(yǎng)化，50 ＜TLI(∑)≤60;中度富營養(yǎng)化，60 ＜ TLI(∑)≤70;重度富營養(yǎng)化，70 ＜TLI(∑).

在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越重.單項營養(yǎng)指標(biāo)的計算公式:

表4 岳城水庫2001—2010年單項營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

由表4可以看出，氮、磷、透明度3 項值偏高，其中氮已經(jīng)屬于重度污染. 通?？梢园凑盏妆葹?6∶1來判斷水庫富營養(yǎng)化受氮磷的限制情況［8－9］，岳城水庫的平均氮磷比為N/P=183，磷為限制性因子，氮是水庫富營養(yǎng)化的主要原因.

各營養(yǎng)狀態(tài)指標(biāo)的權(quán)重［6］按式計算，結(jié)果見表5.

表5 各指標(biāo)的權(quán)重值

表6 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

從表6可以看出水庫在2001—2010年均屬于中營養(yǎng)，其中2004年分值最高為38.1 分，2009年分值最低為30.7 分，與文獻(xiàn)［10］的結(jié)論基本一致.

3 結(jié)果和分析

圖1中主成分分析法和污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法的數(shù)據(jù)是利用模糊評價法求得的對貧營養(yǎng)的隸屬度，均值即是二者的平均值，和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法結(jié)果的變化趨勢是一致的.

圖1 岳城水庫2001—2010年的富營養(yǎng)化變化趨勢

從表6中可以看出兩種方法均表明岳城水庫的富營養(yǎng)化程度在2004年最嚴(yán)重，之后呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，在2009年出現(xiàn)最低值，說明水庫水質(zhì)總體趨勢在逐漸好轉(zhuǎn).

4 結(jié) 語

葉綠素是綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的基準(zhǔn)參數(shù)，在綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法中的權(quán)重值相對較大，而岳城水庫的葉綠素含量相對較低，因此造成結(jié)果偏低.按照模糊綜合評價法［11］，岳城水庫在2004年富營養(yǎng)化程度最嚴(yán)重，2009年富營養(yǎng)化程度最低，結(jié)果和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法一致，均表明水庫水體在2004—2009年富營養(yǎng)化程度呈緩慢下降趨勢.但是水庫水質(zhì)在中富營養(yǎng)和富營養(yǎng)之間，氮磷比偏大，隨時可能面臨富營養(yǎng)化的威脅，所以需要進(jìn)一步采取措施進(jìn)行水體凈化，特別是對氮的處理.

［1］金相燦，劉鴻亮，屠清瑛，等. 中國湖泊富營養(yǎng)［M］. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1990.

［2］張文平，王成，吳蕓. 模糊綜合評價法在富營養(yǎng)化評價中的應(yīng)用［J］.探索與研究，2009，12(1):32－33.

［3］銀媛媛. 青獅潭水庫水質(zhì)變化趨勢及富營養(yǎng)化評價［J］.儀器儀表與分析檢測，2012(2):38－40.

［4］陳克亮，王金坑，朱曉東，等.三種權(quán)重識別方法在同安灣水質(zhì)模糊評價中的應(yīng)用比較［J］.海洋科學(xué)，2010，34(5):33－36.

［5］張思沖，張雪萍，廖永豐. 營養(yǎng)度指數(shù)法在寒地湖泊富營養(yǎng)化評價中的應(yīng)用［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，35(4):417－419.

［6］Tanaka H，Sugihara K.Interval Probability and Its Application to Decisionproblems［C］//The 10th IEEE International Conference on Fuzzy Systems.The University of Melbourne Australia，2001:952－955.

［7］張平，黃鈺鈴，陳媛媛，等.模糊數(shù)學(xué)在香溪河庫灣富營養(yǎng)化評價中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35(6):173－179.

［8］Laguna，Ouattara A，Gonzalez R O. A single and low cost technique for determining the granulometry of up flow an aerobic sludge blanketsludge［J］. Water Scitechnol，1999，40(8):1－8.

［9］Krupnick A.Costs of alternative policies for the control of nitrogen dioxide in Baltimore［J］.Journal of Environmental Economics and Management，1986，13(1):108－113.

［10］曹瑞仙，崔花瑞，張延平. 岳城水庫水環(huán)境安全分析［J］.河南水利與南水北調(diào)，2010(18):41－42.

［11］李凡.模糊信息處理系統(tǒng)［M］. 北京:北京大學(xué)出版社，1998.